不同热变形温度下TC18钛合金棒材微观缺陷与力学响应特性研究，对比分析多工况锻造后合金组织形貌与力学指标差异，明确兼顾高强高韧的最优锻造温度区间，为工业生产提供理论支撑

TC18钛合金名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，材料具有高强度、高韧性和较好的淬透性等特点，是一种综合性能良好的近β型钛合金,常被用于飞机大型锻件、操作系统、起落架及高负载承力航空结构件，在俄罗斯伊尔76等飞机上已被大量应用[1]。随着我国航空航天材料领域的迅猛发展，航空航天器对于其结构件性能要求越来越高，尤其在高温环境下钛合金材料的性能稳定提升是航空航天技术发展的突破口。TC18钛合金耐高温、抗腐蚀及高强度等优异性能在航空航天等工业领域中的应用得到了广泛关注。

近年来，陈素明等研究了退火工艺、等轴化热处理工艺对TC18钛合金组织及性能的调控，通过热处理调整TC18钛合金锻件显微组织中初生α相含量，以实现材料性能调控[2-4]。张永强等研究了不同模锻温度和热处理对TC18钛合金模锻件显微组织和力学性能的影响[5,6]。但未见对自由锻造工艺对TC18棒材显微组织及性能调控的相关研究。本文研究了在T（α-β）附近不同锻造温度对TC18钛合金棒材显微组织及力学性能的影响规律，为工业生产提供指导。

1、实验

1.1实验材料

实验所用原材料为φ700mmTC18钛合金铸锭，铸锭经三次真空自耗熔炼而成，铸锭化学成分见表1。铸锭经开坯锻造并在两相区进行多火次镦拔，充分破碎铸态组织，获得显微组织由等轴初生α相+极少量的长条α相+β转组成的TC18钛合金棒材，棒材规格为φ300mm，采用金相法测得实验用棒材相变点T（α-β）为865℃。

表 1 TC18 化学成分表（wt%）

1.2试验方法

以φ300mm棒材为本次研究的实验材料，在20MN快锻机组上采用摔圆模旋转步进压下的方式锻压成型，通过均匀压下实现锻造过程，棒材整体变形量控制在25%，在棒材头部取样进行弦向和纵向力学性能测试，并在截面1/2R处取棒材显微组织。坯料分别采用880℃、870℃、865℃和860℃四种加热温度（见表2），锻造变形后对棒材进行复杂退火处理，热处理制度为：

840℃/3h.FC+750℃/4h.AC+600℃/6h.AC

表 2 锻造及热处理试验方案

热处理后取样检测棒材力学性能及显微组织。

2、结果与讨论

2.1温度对棒材低倍组织的影响

图1所示为不同锻造工艺方案TC18钛合金棒材的低倍组织。结果显示，四种变形温度下棒材低倍组织均为半清晰晶，这主要是由于合金由单相区变形至锻造结束铸态组织不能够充分破碎，在成品棒材上呈现出均匀的半清晰晶。另外，可以看出低倍组织上有条纹状组织由中心向边部呈放射状，这锻造方式关系密切，棒材经自由锻造后部分组织不均匀受力，最后低倍片上反映出条纹状组织。

2.2温度对显微组织的影响

图2为不同温度锻造后经双重退火热处理的显微组织。

图2a为880℃相变点以上单相区变形的组织，图2b、2c分别为870℃、865℃锻造并双重退火处理后的显微组织，图2d为860℃两相区变形并经双重退火热处理的显微组织。图2a所示为单相区880℃变形时的显微组织，由β基体+层片状初生α相组成，晶粒内部初生α相互交织，并可见一定程度的不均匀，α丛排列在晶界上并沿一定方向生长，视场内可见相对平直且连续的晶界α。图2b、2c中层片状α相尺寸减小，分布密集，具有一定的均匀性，可见不连续的晶界α，且晶界发生扭折。当温度降至860℃时，未见晶界α，且层片状α相长度减小，未见明显交织，且晶粒内部零星可见等轴状α相分布。比较分析在单相区和两相区下锻造变形时的显微组织（见图2a、图2d），单相区加热后，坯料组织以β大晶粒为主，在进行塑性变形时，原始β晶粒随金属流动被压扁拉长，由于变形相对均匀且变形速率较小，由坯料加热提供再结晶驱动力，空冷时，会沿原始β晶界和晶内析出长条状α相。坯料在两相区加热后，α相与β相同时变形，初生α相在变形过程中发生动态回复和再结晶，其形态为等轴α和长条状α，β相经过变形后，首先在相界面及晶界处析出次生α，并在随后的冷却过程中长大，形成片状和细条状次生α。

从图2中显微组织还能看出，在两相区加热变形后显微组织一致性比单相区加热变形后显微组织均匀，并存在少量等轴α，且随着加热温度的降低，等轴α含量逐渐增多。

2.3温度对室温力学性能影响

不同变形温度对TC18合金力学性能影响如表3所示。

表 3 不同变形温度对室温力学性能影响

结果表明，随着变形温度的降低，棒材纵向抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率呈先升后降的趋势，在865℃时棒材纵向、横向室温拉伸性能最好，分别为纵向室温拉伸强度1172MPa、纵向室温屈服强度1095MPa，纵向延伸率14.5%，纵向断面收缩率38%，横向室温抗拉强度1179MPa，横向室温屈服强度1094MPa，横向延伸率11%，横向断面收缩率21%。组织决定性能，随变形温度降至两相区时晶内出现等轴α，晶粒内部分布的细小片状α相强化作用降低，试样抗拉强度降低，塑性增加[7]。在单相区变形后，棒材抗拉强度没有明显升高，但材料塑性明显低于两相区变形时的塑性，这主要是存在连续平直的晶界α。

从表3中还可以看出，断裂韧性随变形温度降低而逐渐降低，其性能与显微组织组成联系密切，在单相区加热，显微组织中晶内α相尺寸不仅小而且排列紧密，内部呈弥散状分布，其中交织的片状α相增加相界面，使得合金强度与抗蠕变性能得以提高，在裂纹扩展时α集束和片状α存在不同位向，受到应力时，从而使裂纹扩展的路径与方向较多，断裂韧性较高。其次网篮组织中断裂特征是呈延性穿晶和沿晶共存的特性，材料内部的断裂特性使晶粒变形耗费更多的能量，因而这两种特性起协同作用的阻滞机理主导了网篮组织的韧度[8]。

另有研究表明网篮组织的断裂韧性比双态组织高，原始β晶粒长大、晶界α尺寸变形和晶内较多的片状α相形成都会提高断裂韧性，在两相区变形时，显微组织中等轴α相逐渐增多，α相紧密程度减小，弥散强化作用较弱，另外位错线分布均匀、滑移带间距减小，断裂韧性减小[9]。

3、结论

（1）在T（α-β）-5℃至T（α-β）+15℃温度范围内加热锻造，可以得到网篮组织的TC18钛合金棒材。当变形温度高于相变点时，显微组织中存在断续或连续的晶界α，晶内α相尺寸不均匀。当变形温度低于相变点时，显微组织中存在等轴α和细小的次生α，且相尺寸相对均匀。

（2）随着变形温度降低，棒材显微组织形貌改变，晶界α消失，棒材断裂韧性降低。当变形温度在865℃时，棒材纵向、横向室温力学性能强塑性匹配最优。

参考文献：

[1] Wang T,Guo H Z,Wang Y W,et al.The effect of microstructure on tensile properties,deformation mechanisms and fracture models of TG6 hightemperature titanium alloy[J].Materials Science and Engineering A,2011,528(6):2370-2379.

[2] 陈素明 , 胡生双 , 张颖 , 等 . 退火工艺对增材制造 TC18 钛合金力学性能和组织的影响 [J]. 金属热处理 ,2020,45(08):142-146.

[3] 刘继雄 , 马宏刚 , 李巍 , 等 . 两相区热处理制度对 TC18 钛合金等轴化规律的影响 [J]. 金属热处理 ,2015,40(05):77-81.

[4] 权浩 , 邱克辉 , 黄德明 , 等 . 热处理对 TC18 钛合金组织的影响 [J]. 材料热处理学报 ,2014,35(06):71-74.

[5] 张永强 , 郭鸿镇 , 刘瑞 , 等 .TC18 合金 β 相区等温锻造显微组织和力学性能 [J]. 稀有金属材料与工程 ,2013,42(03):634-638.

[6] 沙爱学 , 李兴无 , 王庆如 , 等 . 热变形温度对 TC18 钛合金显微组织和力学性能的影响 [J]. 中国有色金属学报 ,2005(08):1167-1172.

[7] 黄定辉 , 周俊 , 洪鑫 , 等 . 准 β 锻造工艺对 TC18 钛合金组织与性能的影响 [J]. 锻压技术 ,2014,39(08):125-128.

[8] 马少俊 , 吴学仁 , 刘建中 , 等 .TC21 钛合金的微观组织对力学性能的影响 [J]. 航空材料学报 ,2006(05):22-25.

[9] 王磊 , 刘莹莹 , 张乐 , 等 .TC18 合金的显微组织及断裂韧性 [J]. 金属热处理 ,2017,42(09):81-86.

（注，原文标题：变形温度对TC18钛合金棒材组织及性能影响_郝璟珂）